一種器件的重離子單粒子多位翻轉效應的定量分析方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種一種器件的重離子單粒子多位翻轉效應的定量分析方法，屬于 空間單粒子效應地面模擬試驗技術及加固技術研究領域。
【背景技術】
[0002] 隨著衛星電子系統對大規模集成電路性能要求的不斷提高，采用超深亞微米、納 米級集成電路已成為不可避免的發展趨勢。器件特征工藝尺寸的減小帶來的首要問題是臨 界電荷的降低，臨界電荷是器件發生單粒子翻轉所需的最小電荷量，隨工藝尺寸約成平方 反比關系，如90nm工藝器件，在最壞情況下器件的臨界電荷已經小于2fC。這意味著高能粒 子進入器件后，觸發器件狀態翻轉需要的電離能量沉積減小了，即單粒子翻轉的敏感性增 加。此外，特征尺寸的減小對電荷的收集過程也產生了深遠影響，單個重離子入射引起的多 個單粒子翻轉敏感結點之間的電荷共享以及阱電勢的崩塌引起相鄰存儲單元寄生雙級晶 體管導通而產生的雙級放大效應使單粒子多位翻轉問題變得日益嚴重。ITRS國際半導體技 術發展藍圖預測至2016年，25nm工藝下集成電路的單粒子軟錯誤率將全部來自于多位翻 轉。物理上相鄰存儲單元翻轉所引起的多位翻轉，由于引起器件單粒子軟錯誤的急劇增加， 會導致一些經典的版圖加固方法如DICE雙互鎖存儲單元在多結點電荷收集機制面前失去 應有的加固效果，并使得傳統的單粒子效應模擬試驗方法、理論模型在納米工藝下受到挑 戰。
[0003] 單粒子多位翻轉（MCU)是指單個粒子入射引起物理上多個相鄰存儲單元發生單 粒子翻轉的一種拓撲錯誤。深入研究器件單粒子多位翻轉，需要準確獲取器件單粒子多位 翻轉的多樣性和拓撲圖形，統計不同尺寸單粒子多位翻轉的事件數并進行定量表征，這對 于衡量器件單粒子多位翻轉敏感性，指導器件抗單粒子加固設計，驗證加固設計的有效性 具有十分重要的意義。目前單粒子多位翻轉研究普遍存在多位翻轉難以判別統計、拓撲圖 形難以獲取、影響程度難以定量的問題。國內開展器件單粒子多位翻轉研究還處于起步階 段，未深入開展單粒子多位翻轉試驗方法的研究工作，申請號201010624396. 9名稱為一種 脈沖激光單粒子翻轉截面的實驗方法的專利，給出了一種利用脈沖激光獲取單粒子翻轉截 面的方法，申請號200710177960. 5名稱為獲取單粒子現象截面與重離子線性能量轉移關 系的方法的專利，給出了一種獲取單粒子翻轉截面、閉鎖截面、柵穿截面和燒毀截面與重離 子LET值關系的方法，兩個專利中均未涉及單粒子多位翻轉試驗數據獲取和處理方法的描 述。國際上報道的單粒子多位翻轉研究工作多集中在對試驗結果的分析和討論，很少涉及 單粒子多位翻轉試驗方法的描述。通常開展器件單粒子效應試驗時，測試系統測量獲取的 是基于邏輯地址的單粒子翻轉試驗數據，因此不能客觀反映發生單粒子翻轉的存儲單元是 否在物理上真實相鄰，是否可以判定為真正的單粒子多位翻轉。另一方面即使獲取了器件 的物理位圖，建立了單粒子翻轉邏輯地址到物理地址的映射，但效應試驗中卻不控制離子 注量率的選擇，選擇常規的單粒子效應試驗方法中規定的注量率范圍l〇2-l〇5/cm2.s之間的 任一注量率，容易引入由不同粒子入射在相鄰物理位置造成的"偽"多位翻轉，造成單粒子 多位翻轉統計誤差過大。同時對單粒子多位翻轉的表征缺乏清晰的認識，導致多位翻轉的 定義和計算不能準確有效地反映器件對單粒子多位翻轉的敏感性。因此建立一種完整的單 粒子多位翻轉試驗數據獲取和處理方法成為開展器件單粒子翻轉模擬試驗技術研究、評 價器件抗單粒子翻轉能力、提高器件抗單粒子翻轉加固性能急需解決的關鍵問題。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的是提供一種在地面實驗室條件下對被測器件進行單粒子多位翻轉 試效應的定量分析方法，使今后地面單粒子效應多位翻轉的研究工作更加方便、實用。
[0005] 本發明是通過以下技術方案來實現的：
[0006] -種器件的重離子單粒子多位翻轉效應的定量分析方法，其特殊之處在于，包括 以下步驟：
[0007] 1】數據獲取
[0008] 1.1】束流參數設定
[0009] 選擇重離子種類，根據重離子LET值選擇合適的注量率進行輻照；
[0010] 1.2】測試
[0011] 記錄器件發生單粒子翻轉的存儲單元邏輯地址及數據，達到預計的單粒子翻轉數 或最大離子注量時停止輻照；
[0012] 2】數據處理
[0013] 2. 1】建立器件邏輯地址到物理地址的映射關系，形成物理位圖；
[0014]2. 2】依據物理位圖，統計每個回讀周期以及全部回讀周期的單粒子翻轉數和單粒 子事件數，單粒子事件數包括單位翻轉事件數和多位翻轉事件數，并記錄每種多位翻轉事 件所對應的多位翻轉拓撲圖形；
[0015]2. 3】基于步驟2. 2】的數據統計信息，結合重離子注量，對單粒子多位翻轉進行表 征，實現對器件單粒子多位翻轉效應的定量分析。
[0016] 如需要，在步驟1.2】與步驟2.1】之間還包括：
[0017]1. 3】調整重離子入射角度、器件填充圖形或工作電壓后再進行1. 2】測試
[0018] 的步驟。
[0019] 如需要，在步驟1. 3】與步驟2. 1】之間還包括：
[0020] 1. 4】選擇新的重離子種類，改變重離子LET值，根據重離子LET值選擇合適的注量 率進行輻照后再進行1. 2】測試的步驟。
[0021] 如需要，在步驟1. 4】與步驟2. 1】之間還包括：
[0022] 1. 5】調整重離子入射角度、器件填充圖形或工作電壓后再進行1. 2】測試的步驟。
[0023] 在步驟1. 1】束流參數設定時，對單粒子效應敏感的器件，輻照時離子注量率應盡 量低，從而將"偽"MCU(兩個或多個離子入射在相鄰位置引起的MCU)的發生概率控制到很 低。但過低注量率將導致單粒子翻轉數累積過慢、輻照時間過長、加速器束流不穩定、注量 統計誤差增大等問題，因此實際效應試驗中離子注量率選定原則是保證一個回讀周期內發 生單粒子翻轉的數目相比于器件存儲容量盡量少，具體為：
[0024] 對于集成度小于1Mbit的存儲器件，保證輻照中每個回讀周期測試的翻轉數小于 芯片總容量的〇.01%;對于集成度大于1Mbit的存儲器件，保證輻照中每個回讀周期測試 的翻轉數不大于100個，這樣發生一次"偽"多位翻轉的最劣概率小于1X10 3。
[0025] -個回讀周期內累計Esa個翻轉時發生一次"偽"多位翻轉的概率A可表示為：
[0026]
[0027] 其中，Esa是輻照過程中一個回讀周期記錄的單粒子翻轉數，N表示存儲器件集成 度即存儲容量，AdjCell表示在1個存儲單元翻轉周圍可能被記作MCU的存儲單元數目，通 常物理上完全相鄰的存儲單元發生翻轉才被記做多位翻轉，因此計算時AdjCell取8。
[0028] 從數據統計置信度考慮，步驟1. 2】中所述的預計的單粒子翻轉數應累積到超過 100個但翻轉數目不應超過器件存儲容量的1 %，最大離子注量不超過lE7cm2。
[0029] 上述步驟2. 1】器件邏輯地址到物理地址的映射關系的建立基于設計廠商提供的 器件信息或采取反向設計的方法或采用重離子微束、激光微束定位識別的方法。
[0030] 上述步驟2. 2】中單粒子事件數的統計方法為"一個離子引起的所有單粒子翻轉都 看作一個事件，無論是單位翻轉還是多位翻轉，事件僅記作一次"。
[0031] 上述步驟2. 3】中對單粒子多位翻轉進行表征并定量，表征參數包括U型即單粒子 翻轉截面、E型即單粒子事件截面、單粒子多位翻轉事件截面、單粒子單位翻轉事件截面、多 位翻轉均值Mean、多位翻轉概率、具有i位翻轉的單粒子事件的概率，具體表征方法如下：
[0032] U型即單粒子翻轉截面〇。SEU，表示成：
[0036] 其中Eventi-bit是具有i位翻轉的單粒子事件數，①是入射離子的總注量；
[0037] 單粒子多位翻轉事件截面〇 _，表示為：
[0043] 多位翻轉概率，表示為：
[0044]
(1-7)
[0045] 式中分母為所有單粒子事件的總和，分子為具有2位翻轉以及更多位翻轉的多位 翻轉事件的總和；
[0046] 具有i位翻轉的單粒子事件Event; !^的概率則表示為
[0047] (1-8) 〇
[0048] 步驟2. 3】之后，還包括繪制單粒子表征參數中的一種或多種與重離子LET值、離 子入射角度、填充圖形、工作電壓中的一種或幾種之間的關系曲線。
[0049] 本發明與現有技術相比，優點是：
[0050] 1、本發明的重離子單粒子多位翻轉效應的定量分析方法通過對注量率的控制來 降低""偽"多為翻轉的發生幾率，通過建立器件邏輯地址到物理地址的映射關系以能客觀 反映發生單粒子翻轉的存儲單元是否在物理上真實相鄰，從而可以判定是否為真正的單粒 子多位翻轉來消除"偽"多位翻轉，實現對被測器件抗單粒子翻轉能力的評價檢測。
[0051] 2、本發明能夠為建立科學合理的小尺寸器件重離子單粒子效應模擬試驗方法提 供依據。
[0052]3、本發明能夠為器件抗單粒子翻轉加固設計提供技術手段和信息，并驗證評價加 固技術的有效性。
[0053] 4、本發明同樣適用于質子和中子單粒子多位翻轉的試驗數據獲取和處理。
【附圖說明】
[0054] 圖1是本發明器件的重離子單粒子多位翻轉效應的定量分析方法；
[0055] 圖2是本發明實施例中器件的譯碼圖；
[0056] 圖3是C1離子輻照時某一回讀周期單粒子翻轉數據物理位圖顯示；
[0057] 圖4是C1離子全部回讀周期單粒子翻轉數據物理位圖顯示；
[0058] 圖5是單粒子單位翻轉和多位翻轉事件概率、多位翻轉均值與LET值的關系曲線。 圖6表示了C1離子輻照時全部回讀周期內具有不同拓撲圖形的單粒子多位翻轉的事 件